Diamant en grafiet zijn twee natuurlijk voorkomende koolstofallotropen die we al duizenden jaren kennen. Het zijn elementaire koolstoffen die zo zijn gerangschikt dat ze bestaan ​​uit sp ³ en sp ² respectievelijk gehybridiseerde koolstofatomen. Meer recentelijk heeft de ontdekking van verschillende andere koolstofallotrope materialen, zoals grafeen, fullereen, koolstofnanobuisjes, graphyne en graphdiyne, een revolutie teweeggebracht in de moderne nanomaterialenwetenschap. Vooral grafeenonderzoek heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt in de moderne scheikunde en natuurkunde vanwege zijn fascinerende eigenschappen.

Grafeen is aangeprezen als een wondermateriaal dat mogelijk een revolutie teweeg kan brengen in de halfgeleiderindustrie, vanwege de uitzonderlijke eigenschappen van elektronenmobiliteit. Ondanks de hype lijkt het erop dat onze beschaving nog lang niet overgaat van het siliciumtijdperk naar het grafeentijdperk. De grootste uitdaging bij het gebruik van grafeen in de elektronica is de elektronische structuur van grafeen zonder bandgap. Dit maakt het onmogelijk om op grafeen gebaseerde transistoren uit te schakelen, wat hun toepassing in de halfgeleiderindustrie beperkt. Hoewel het mogelijk is om deze beperking te overwinnen door het grafeen te doteren of te functionaliseren, is er ook veel interesse in de zoektocht naar nieuwe soorten 2D koolstofallotropen die uitzonderlijke halfgeleidende eigenschappen hebben, zoals een goede energiebandgap en hoge mobiliteit.

Onlangs ontdekten onderzoekers dat het mogelijk is om veel eigenschappen die geschikt zijn voor een halfgeleider te verlenen aan grafeen of grafeenoxiden door veel gaten in de structuur te maken. Dit nieuwe type materiaal wordt 'holey grafeen' genoemd. Vergeleken met grafeen, γ-grafiet of graphdiyne heeft holey grafeen niet alleen de ideale 2D-halfgeleidende eigenschappen, maar heeft het ook niet-lineaire sp-binding en een speciale π-geconjugeerde structuur, die veelbelovende toepassingen biedt in opto-elektronica, energiewinning, gasscheiding, katalyse, watersanering, sensor en energiegerelateerde velden.

Tot nu toe is grafeen met gaten gemaakt in laboratoria door eerst grafeen te synthetiseren en vervolgens het grafeen te onderwerpen aan een fysieke, chemische of hydrothermische behandeling om veel gaten in de structuur te doorboren. Een dergelijke top-down benadering voor productie heeft echter zijn beperkingen omdat de grootte en verdeling van de 'gaten' ongelijk en moeilijk te controleren zijn.

Onder leiding van Associate Director Lee Hyoyoung ontwikkelden onderzoekers van het Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) binnen het Institute for Basic Science, Zuid-Korea, een bottom-up benadering voor het maken van dergelijk materiaal. Voor de eerste keer bedacht de groep een methode om topologisch 2D koolstofmateriaal atoom voor atoom te construeren.

Dit nieuwe tweedimensionale monokristallijne materiaal werd door de groep "holey-graphyne" (HGY) genoemd. HGY bestaat uit afwisselend gekoppelde benzeenringen en C≡C-bindingen, bestaande uit een patroon van ringen met zes hoekpunten en zeer gespannen acht hoekpunten en een gelijk percentage sp ² en sp gehybridiseerde koolstofatomen.

"We werden geïnspireerd door een intrigerend molecuul, dibenzocyclooctadiyne, dat voor het eerst werd gesynthetiseerd door Sondheimer en collega's in 1974. In dibenzocyclooctadiyne zijn twee aromatische benzeenringen verbonden door twee gebogen acetylenische verbindingen, wat resulteert in een zeer gespannen achtledige ring. Dit opwindend molecuul inspireerde ons tot het ontwerpen en synthetiseren van de nieuwe koolstofallotroop, versie van het materiaal, namelijk holey-graphyne, "zei Associate Director Lee.

De onderzoeksgroep produceerde met succes het ultradunne monokristallijne HGY met 1,3,5-tribroom-2,4,6-triethynylbenzeen als basismateriaal. De enkele atomaire laag dunne HGY werd vervolgens gesynthetiseerd tussen het grensvlak van twee oplosmiddelsystemen bestaande uit water en dichloormethaan. De nieuwe HGY vertoonde een directe bandgap van ongeveer 1,1 eV en een uitstekende mobiliteit van berekende draaggolven, waardoor het geschikt is als halfgeleidermateriaal.

Deze nieuwe ontdekking demonstreert niet alleen de eerste synthese van het ultradunne enkelkristallijne HGY, maar introduceert ook een nieuw concept voor het ontwerp en de synthese van zo'n nieuw type 2D koolstofallotroop. Gehoopt wordt dat de toekomstige toepassing van HGY in de halfgeleiderindustrie de golf zal effenen voor een nieuwe generatie elektronica voorbij het siliciumtijdperk.

Het onderzoek is gepubliceerd in Matter . + Verder verkennen

Het bereiken van edge-closed grafeen nanoribbons door koolstofnanobuisjes te pletten